EP1771275A1 - Verfahren zum reparieren bzw. fertigen eines bauteils - Google Patents

Verfahren zum reparieren bzw. fertigen eines bauteils

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EP1771275A1
EP1771275A1 EP05770639A EP05770639A EP1771275A1 EP 1771275 A1 EP1771275 A1 EP 1771275A1 EP 05770639 A EP05770639 A EP 05770639A EP 05770639 A EP05770639 A EP 05770639A EP 1771275 A1 EP1771275 A1 EP 1771275A1
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    • Y10T29/49734—Repairing by attaching repair preform, e.g., remaking, restoring, or patching and removing damaged material

Definitions

  • the invention relates to a method for repairing a component, in particular a stator-side component of a gas turbine, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for manufacturing a component according to the preamble of patent claim 8.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for repairing or manufacturing a component, in particular a stator-side component of a gas turbine.
  • the damaged section is cut out of the component to be repaired such that the length of a separating seam and thus a later weld is minimized, depending on the Materi ⁇ aldickenvertechnik along the cutting seam to provide a gleichg lichst uniform material thickness along the subsequent weld material is removed from the component, and after joining the Bau ⁇ part with the new section by laser powder build-up welding at least the worn material is renewed.
  • FIG. 1 shows a detail of a plan view of a stator-side component of a gas turbine to be repaired, namely a vane ring;
  • FIG. 2 shows a partial side view of the stator-side component of FIG. 1 to be repaired;
  • FIG. 1 shows a detail of a plan view of a stator-side component of a gas turbine to be repaired, namely a vane ring;
  • FIG. 2 shows a partial side view of the stator-side component of FIG. 1 to be repaired;
  • FIG. 1 shows a detail of a plan view of a stator-side component of a gas turbine to be repaired, namely a vane ring;
  • FIG. 2 shows a partial side view of the stator-side component of FIG. 1 to be repaired;
  • FIG. 1 shows a detail of a plan view of a stator-side component of a gas turbine to be repaired, namely a vane ring;
  • FIG. 2 shows a partial side view of the stator-side component
  • FIG. 3 shows a detail of a top view of the stator-side component of FIG. 1 to be repaired for clarification of the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a partial side view of the stator-side component of FIG. 3 to be repaired.
  • FIGS. 1 and 2 show a detail of a stator-side guide vane ring 10 of a gas turbine, with the vane ring 10 having a plurality of guide vanes 11 extending in the radial direction and spaced apart in the circumferential direction.
  • the vane ring 10 has, in the region of a radially outer-lying section 12, a projection 13 projecting beyond the section 12, wherein the projection 13 represents a material thickening.
  • the vane ring 10 has an uneven material thickness distribution in the area of the section 12, namely over sections with a relatively small material thickness and over the projection 13 with a relatively large material thickness.
  • FIG. 3 Such a minimal cutting seam or weld seam is identified in FIG. 3 by the reference numeral 14.
  • Fig. 3 can be seen that this cut seam 14 and thus the subsequent weld extends through the region of the projection 13. Nevertheless, in order to provide as uniform a material thickness as possible over the region of the subsequent weld, independently of the material thickness distribution of the original component, material is removed along the cutting seam and thus the subsequent weld in the sense of the present invention.
  • the projection 13 is removed.
  • FIG. 4 shows the section 12 without the projection 13.
  • FIG. 4 shows a guide blade 15 which replaces the guide blade 11 to be removed and which has a thickness adapted to the section 12 in the region of the weld seam 14. This ensures that a weld having optimal properties can be provided without the necessity of complexly guided separating seams or weld seams.
  • the removed to provide the uniform material thickness along the weld seam 14 is Mate ⁇ rial renewed by laser powder cladding.
  • a surface treatment can still be carried out in order to ensure fluidically defined component contours of the repaired component, namely the repaired vane ring.
  • the method according to the invention avoids complex geometries of separating seams and welded seams in the repair of components.

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Description

Verfahren zum Reparieren bzw. Fertigen eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines Bauteils, ins¬ besondere eines statorseitigen Bauteils einer Gasturbine, nach dem Ober¬ begriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 8.
Beim Reparieren von Bauteilen, insbesondere von statorseitigen Bauteilen einer Gasturbine, kann es erforderlich sein, beschädigte Abschnitte aus einem zu reparierenden Bauteil herauszutrennen und durch einen Neuab¬ schnitt zu ersetzen. Bei Bauteilen, die erhebliche Materialdickenschwan¬ kungen aufweisen, wie dies zum Beispiel bei Leitschaufelkränzen einer Gasturbine der Fall ist, wird zur Reparatur so vorgegangen, dass der be¬ schädigte sowie zu erneuernde Abschnitt derart aus dem Bauteil herausge¬ trennt wird, dass entlang der Trennnaht und damit entlang der späteren Schweißnaht eine möglichst gleichmäßige Materialdicke vorliegt. Hierdurch soll gewährleistet werden, dass das Schweißen entlang der gesamten Schweißnaht möglichst gleichmäßig und optimal durchgeführt werden kann. Diese aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise verfügt jedoch über, den Nachteil, dass sich abhängig von dem aus dem zu reparierenden Bauteil herauszutrennenden Abschnitt und der Materialdickenverteilung des Bauteils sehr lange und komplexe Trennnähte und damit spätere Schweißnäh¬ te ergeben können. Weiterhin können durch derart komplexe sowie lange Schweißnähte umfangreiche Vorbereitungsschritte sowie Nachbearbeitungs¬ schritte am zu reparierenden Bauteil erforderlich sein. Dies ist insge¬ samt von Nachteil. Da bei der Neuteilfertigung ebenfalls in der Regel un¬ terschiedliche Abschnitte eines Bauteils durch Schweißen miteinander ver¬ bunden werden müssen, ergeben sich bei der Neufertigung von Bauteilen ähnliche Probleme.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Reparieren bzw. Fertigen eines Bauteils, insbesondere eines statorseitigen Bauteils einer Gasturbine, zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren eines Bauteils ist im unab¬ hängigen Patentanspruch 1 definiert.
Erfindungsgemäß wird der beschädigte Abschnitt derart aus dem zu reparie¬ renden Bauteil herausgetrennt, dass die Länge einer Trennnaht und damit einer späteren Schweißnaht minimiert wird, wobei abhängig von der Materi¬ aldickenverteilung entlang der Trennnaht zur Bereitstellung einer mög¬ lichst gleichmäßigen Materialdicke entlang der späteren Schweißnaht vom Bauteil Material abgetragen wird, und wobei nach dem Verbinden des Bau¬ teils mit dem Neuabschnitt durch Laserpulverauftragschweißen zumindest das abgetragene Material erneuert wird.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Trenn¬ naht und damit die spätere Schweißnaht mit geringster Länge auszuführen und zwar weitestgehend unabhängig von der Materialdickenverteilung des zu reparierenden Bauteils. Um dennoch während des späteren Anschweißens ei¬ nes den herausgetrennten Abschnitt ersetzenden Neuabschnitts entlang der Schweißnaht eine möglichst gleichmäßige Materialdicke bereitzustellen, wird im Bereich der Trennnaht vom zu reparierenden Bauteil Material abge¬ tragen, wobei nach dem Verbinden des Bauteils mit dem Neuabschnitt zumin¬ dest diese abgetragene Material durch Laserpulverauftragschweißen erneu¬ ert wird. Dies hat den Vorteil, dass komplexe Geometrien von Trennnähten und Schweißnähten vermieden werden können. Ein zu reparierendes Bauteil braucht demnach nicht in viele Einzelteile zerlegt zu werden. Hierdurch ergeben sich unter anderem Kostenvorteile.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird abhängig von der Materialdickenverteilung entlang der Trennnaht zur Bereitstellung ei¬ ner optimalen Schweißnaht-Materialdicke entlang der späteren Schweißnaht in Bereichen des Bauteils, in welchen die Materialdicke größer ist als die optimale Schweißnaht-Materialdicke, vom Bauteil Material abgetragen, wohingegen in Bereichen des Bauteils, in welchen die Materialdicke klei¬ ner ist als die optimale Schweißnaht-Materialdicke, auf das Bauteil Mate¬ rial aufgetragen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigen eines Bauteils ist im unab¬ hängigen Patentanspruch 8 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine ausschnittsweise Draufsicht auf ein zu reparierendes, sta- torseitiges Bauteils einer Gasturbine, nämlich auf einen Leit¬ schaufelkranz; Fig. 2 eine ausschnittsweise Seitensicht auf das zu reparierende, sta- torseitige Bauteil der Fig. 1;
Fig. 3 eine ausschnittsweise Draufsicht auf das zu reparierende, sta- torseitige Bauteil der Fig. 1 zur Verdeutlichung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 4 eine ausschnittsweise Seitensicht auf das zu reparierende, sta- torseitige Bauteil der Fig. 3.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt aus einem statorseitigen Leitschau¬ felkranz 10 einer Gasturbine, wobei der Leitschaufelkranz 10 mehrere sich in radialer Richtung erstreckende und in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeln 11 aufweist. Wie Fig. 1 und 2 entnommen werden kann, verfügt der Leitschaufelkranz 10 im Bereich eines radial außenlie¬ genden Abschnitts 12 über einen gegenüber dem Abschnitt 12 hinausragenden Vorsprung 13, wobei der Vorsprung 13 eine Materialaufdickung darstellt. Bereits hieraus folgt, dass der Leitschaufelkranz 10 im Bereich des Ab¬ schnitts 12 über eine ungleichmäßige Materialdickenverteilung verfügt, nämlich über Abschnitte mit einer relativ geringen Materialdicke und über den Vorsprung 13 mit einer relativ großen Materialdicke.
Im nachfolgenden soll davon ausgegangen werden, dass zur Reparatur des in Fig. 1 und 2 gezeigten Leitschaufelkranzes 10 eine der Leitschaufeln 11 ausgetauscht werden soll. Soll nun zum Beispiel die in Fig. 2 dargestell¬ te Leitschaufel 11 ausgetauscht werden, so ist unmittelbar ersichtlicht, dass sich die kürzeste Trennnaht zum Heraustrennen der Leitschaufel 11 aus dem Leitschaufelkranz 10 durch den Bereich des Vorsprungs 13 erstre¬ cken würde. Da jedoch die Trennnaht die spätere Schweißnaht bildet und des weiteren ungleichmäßige Materialdicken im Bereich der Schweißnaht von Nachteil sind, würde nach dem Stand der Technik eine Trennnaht gewählt, die den Bereich des Vorsprungs 13 umfährt. Hierdurch ergibt sich unter anderem eine komplex geformte Trennnaht sowie spätere Schweißnaht.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die zu er¬ setzende Leitschaufel 11 derart aus dem zu reparierenden Leitschaufel¬ kranz 10 herauszutrennen, dass sich eine möglichst kurze Trennnaht und damit spätere Schweißnaht ergibt .
Eine derart minimale Trennnaht bzw. Schweißnaht ist in Fig. 3 mit der Be¬ zugsziffer 14 gekennzeichnet. Fig. 3 kann entnommen werden, dass sich diese Trennnaht 14 und damit die spätere Schweißnaht durch den Bereich des Vorsprungs 13 erstreckt. Um dennoch über den Bereich der späteren Schweißnaht unabhängig von der Materialdickenverteilung des ursprüngli¬ chen Bauteils eine möglichst gleichmäßige Materialdicke bereitzustellen, wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung entlang der Trennnaht und damit der späteren Schweißnaht Material abgetragen. Im Ausführungsbei¬ spiel der Fig. 3 wird der Vorsprung 13 abgetragen. Dies zeigt Fig. 4, die den Abschnitt 12 ohne den Vorsprung 13 zeigt. Weiterhin zeigt Fig. 4 eine die herauszutrennende Leitschaufel 11 ersetzende Leitschaufel 15, die im Bereich der Schweißnaht 14 über eine dem Abschnitt 12 angepasste Materi¬ aldicke verfügt. Hierdurch ist sichergestellt, dass eine Schweißnaht mit optimalen Eigenschaften bereitgestellt werden kann, ohne die Notwendig¬ keit komplex geführter Trennnähte bzw. Schweißnähte.
Es liegt demnach der hier vorliegenden Erfindung, abhängig von der Mate¬ rialdickenverteilung entlang der kürzest gewählten Trennnaht zur Bereit¬ stellung einer optimalen Schweißnaht-Materialdicke entlang der späteren Schweißnaht in Bereichen des Bauteils, die im Bereich der Trennnaht durch eine Materialaufdickung gekennzeichnet sind, Material abzutragen. In sol¬ chen Bereichen der Trennnaht, in welchen die Materialdicke demnach größer ist als eine optimale Schweißnaht-Materialdicke, wird vom Bauteil Materi¬ al abgetragen. Es kann jedoch auch der Fall vorliegen, dass das zu repa¬ rierende Bauteil in einem Abschnitt der Trennnaht eine Materialdicke auf¬ weist, die kleiner ist als die optimale Schweißnaht-Materialdicke. In diesem Fall ist es möglich, auf das Bauteil im Bereich der Trennnaht und damit späteren Schweißnaht durch Laserpulverauftragschweißen Material aufzutragen.
Wie insbesondere Fig. 3 entnommen werden kann, würde sich beim Heraus¬ trennen der Leitschaufel 11 aus dem Leitschaufelkranz 10 die Trennnaht 14 in den Bereich einer seitlichen Begrenzungskontur 16 des Abschnitts 12 erstrecken und demnach „im Freien" endet. Eine Trennnaht sowie eine spä¬ tere Schweißnaht, die nicht allseitig von Material umschlossen ist, son¬ dern vielmehr „im Freien" endet, kann zu erheblichen Verformungen des Bauteils führen. Daher wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vor dem Heraustrennen der Leitschaufel 11 aus dem Leitschaufelkranz 10 im Be¬ reich der Begrenzungskontur 16 eine Materialaufdickung 17 durch Laserpul¬ verauftragschweißen aufgetragen, um zu gewährleisten, dass die Trennnaht 14 und damit spätere Schweißnaht allseitig von Werkstoff umschlossen ist.
Auch dies liegt im Grundgedanken der Erfindung, im gesamten Bereich der Schweißnaht eine optimale Schweißnaht-Materialdicke entweder durch Abtra- gen oder durch Auftragen von Material im Bereich des zu reparierenden Bauteils, nämlich im Bereich der Trennnaht 14 bzw. Schweißnaht, zu ge¬ währleisten.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Abtragen von Material sowie gegebenenfalls das Auftragen von Material zur Bereitstellung der möglichst gleichmäßigen Materialdicke entlang der späteren Schweißnaht 14 entweder vor dem Heraustrennen der zu ersetzenden Leitschaufel 11 oder nach dem Heraustrennen derselben durchgeführt werden kann. Muss zur Ver¬ meidung von „im Freien" endenden Trennnähten Material aufgetragen werden, so erfolgt dies vor dem Heraustrennen des zu ersetzenden Bauteilab¬ schnitts. Muss hingegen Material abgetragen werden, so erfolgt dies nach dem Heraustrennen des Bauteils, da auf diese Art und Weise Abtragarbeiten im Bereich des zu ersetzenden Bauteilabschnitts vermieden werden können.
Nach dem Verbinden der neuen Leitschaufel 15 (^siehe Fig. 4) mit dem Leit¬ schaufelkranz 10 durch Verschweißen, wird das zur Bereitstellung der gleichmäßigen Materialdicke entlang der Schweißnaht 14 abgetragene Mate¬ rial durch Laserpulverauftragschweißen erneuert. Im gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispiel bedeutet dies, dass der Vorsprung 13, der zur Bereitstel¬ lung der optimalen Schweißnaht-Materialdicke abgetragen wurde, nach dem Verschweißen der Leitschaufel 15 mit dem Leitschaufelkranz 10 durch La¬ serpulverauftragschweißen erneuert wird.
Wurde hingegen zur Bereitstellung der optimalen Schweißnaht-Materialdicke Material aufgetragen, so wird dies im Sinne der hier vorliegenden Erfin¬ dung nach dem Schweißen abgetragen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wür¬ de dies bedeuten, dass nach dem Verbinden der Leitschaufel 15 mit dem Leitschaufelkranz 10 die Materialaufdickung 17 wieder abgetragen wird, sodass die durchgehende Begrenzungskontur 16 wiederhergestellt wird.
Im Anschluss an das Auftragen bzw. Abtragen von Material kann noch eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt werden, um strömungstechnisch defi¬ nierte Bauteilkonturen des reparierten Bauteils, nämlich des reparierten Leitschaufelkranzes, zu gewährleisten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden demnach komplexe Geometrien von Trennnähten sowie Schweißnähten bei der Reparatur von Bauteilen ver¬ mieden.
Dies gilt ebenfalls für die Neufertigung eines Bauteils. Lokale Vorsprün¬ ge oder Materialaufdickungen können nach dem Verbinden nachträglich durch Laserpulverauftragschweißen hergestellt werden. Hierdurch ergeben sich deutliche Kostenvorteile, ebenso logistische Vorteile und qualitative Vorteile, da einerseits einfache Schweißnähte und andererseits Schwei߬ nähte mit einer gleichmäßigen Materialdicke bereitgestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Reparieren eines Bauteils, insbesondere eines stator- seitigen Bauteils einer Gasturbine wie eines Gehäuses oder eines Leitschaufelkranzes, wobei aus dem Bauteil ein beschädigter Ab¬ schnitt herausgetrennt wird, und wobei ein den beschädigten sowie herausgetrennten Abschnitt ersetzender Neuabschnitt mit dem Bauteil durch Schweißen fest verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der beschädigte Abschnitt derart aus dem zu reparierenden Bau¬ teil herausgetrennt wird, dass die Länge einer Trennnaht und damit einer späteren Schweißnaht minimiert wird, dass abhängig von der Ma¬ terialdickenverteilung entlang der Trennnaht zur Bereitstellung ei¬ ner möglichst gleichmäßigen Materialdicke entlang der späteren Schweißnaht vom Bauteil Material abgetragen wird, und dass nach dem Verbinden des Bauteils mit dem Neuabschnitt durch Laserpulverauf¬ tragschweißen zumindest das abgetragene Material erneuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Materialdickenverteilung entlang der Trennnaht zur Bereitstellung einer optimalen Schweißnaht-Materialdicke entlang der späteren Schweißnaht in Bereichen des Bauteils, in welchen die Materialdicke größer ist als die optimale Schweißnaht-Materialdicke, vom Bauteil Material abgetragen wird, wohingegen in Bereichen des Bauteils, in welchen die Materialdicke kleiner ist als die optimale Schweißnaht-Materialdicke, auf das Bauteil Material aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen von Material sowie gegebenenfalls das Auftragen von Material zur Bereitstellung der möglichst gleichmäßigen Materi¬ aldicke entlang der späteren Schweißnaht entweder vor dem Heraus¬ trennen oder nach dem Heraustrennen des beschädigten Abschnitts durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der beschädigte Abschnitt mit einer geringsten Länge einer Trennnaht und damit einer späteren Schweißnaht auf dem zu reparie¬ renden Bauteil herausgetrennt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbinden des Bauteils mit dem Neuabschnitt einerseits im Bereich des Bauteils das vom Bauteil abgetragene Material sowie andererseits im Bereich des Neuabschnitts durch Laserpulverauftrag¬ schweißen Material zur Bereitstellung definierter Bauteilkonturen des reparierten Bauteils aufgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss hieran eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird.
7. Verwendung eines Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 zur Reparatur statorseitiger Bauteile einer Gasturbine, insbe¬ sondere eines Flugtriebwerks, wie eines Gehäuses oder eines Leit¬ schaufelkranzes.
8. Verfahren zum Fertigen eines Bauteils, insbesondere eines statorsei- tigen Bauteils einer Gasturbine wie eines Gehäuses oder eines Leit¬ schaufelkranzes, wobei mindestens zwei Abschnitt durch Schweißen fest miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verbindenden Abschnitte im Bereich der spä¬ teren Schweißnaht eine gleichmäßige Materialdicke entlang der Schweißnaht aufweisen, wobei nach dem Verbinden der Abschnitte durch Laserpulverauftragschweißen zur Bereitstellung definierter Bauteil¬ konturen Material aufgetragen wird.
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